輥壓預處理對木材干燥速率和材性的影響1)

楊勝麗 溫明宇 楊庚 孫耀星 趙雪

(北華大學，吉林，132013)

輥壓預處理對木材干燥速率和材性的影響1)

楊勝麗 溫明宇 楊庚 孫耀星 趙雪

(北華大學，吉林，132013)

對柞木試材進行2種壓縮方向(徑向和弦向)、3種壓縮率(10%、20%和30%)和3種壓縮次數(1、4和9次)的輥壓預處理，測試和研究不同輥壓工藝處理材高頻真空干燥的干燥速率變異和主要物理力學性能變異。結果表明：隨著壓縮率和壓縮次數的增加，輥壓預處理試材的干燥速率增大，變化率為7.78%～29.88%，干燥時間可縮短7.22%～21.97%；輥壓預處理試材的密度和干縮率亦有增大的趨勢，變化率分別為0.88%～6.58%和1.04%～13.13%；5種力學強度值逐漸下降，變化率分別為：順紋抗壓強度-13.01%～6.56%、順紋抗剪強度-14.17%～4.67%、抗劈力-15.54%～4.11%、抗彎強度-12.29%～6.42%、抗彎彈性模量-20.17%～4.59%。

輥壓預處理；高頻真空干燥；干燥速率；木材性質

實木板材干燥是木制品生產中運行時間最長、消耗能源最多的加工環(huán)節(jié)。在科學研究中，通過改變木材的微觀構造、破壞紋孔膜的結構，來改善水分對木材的滲透性，強化木材內水分的流動性[1-3]，被認為是縮短木材干燥時間、節(jié)約能源的有效方法。

Flynn等采用壓力往復變動(震蕩)的方式，將變動的壓力通過水和空氣傳遞到紋孔，沖擊紋孔膜使其破壞來改變孔徑的尺寸[4-5]。Vinden等采用2種功率的微波預處理硬闊葉樹木材，干燥時間縮短50%以上[6]；Compere認為，經微波處理的桉木，不再需要3～6個月的氣干，窯干時間可縮短2～3周[7]；周永東等認為，微波預處理使高含水率木材的細胞內集聚蒸汽壓力，紋孔膜被破壞，形成水分容易移動的通道，干燥時間明顯縮短[8]。羅雯等以微爆破技術研究楊木，干燥速率提高了1.93～2.25倍[9]；肖雪芹等對赤桉(EucalyptuscamaldulensisDehnh.)板材進行爆破預處理，滲透性和干燥速度均有明顯的提高，力學強度沒有降低[10]；苗平等對柞木(QuercusmongolicaFisch. et Turcz.)和紅櫟(QuercusalienaBl.)板材進行了壓力為0.25、0.40和0.55 MPa的蒸汽爆破預處理，干燥速度分別提高了13.6%、27.3%和36.4%[11-13]。

有關輥壓法用于木材干燥預處理的研究未見報道。筆者以改善木材滲透性、促進水分移動為目的，研究輥壓預處理柞木試材在高頻真空干燥中干燥速率的變化規(guī)律，分析輥壓預處理對木材物理、力學性質的影響，為探索木材干燥預處理方法、縮短干燥時間提供新的思想。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗試材：柞木(QuercusmongolicaFisch.)，長6 000 mm、小頭直徑520 mm的特級優(yōu)等原木一根，采集于吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局清茶館林場，鋸制成標準的徑切板和弦切板，各80塊，試材尺寸：500 mm(長)×100 mm(寬)×30 mm(厚)；試驗板材紋理通直，無結疤、腐朽，各板材間材性相近。

1.2 試驗設備

輥壓機，上下壓輥皆為主動輥，輥長350 mm，壓輥直徑500 mm，轉動速度30 r/min。

高頻真空木材干燥機，石家莊燦高高頻機械有限公司，型號CGGZ-3F，箱內尺寸150 cm×150 cm×360 cm，有效材堆尺寸100 cm×110 cm×300 cm。高頻機功率20 kW(五檔可調)，高頻機頻率6.00～13.56 MHz，真空度-0.07～0.09 MPa。

恒溫恒濕箱，德國MMM公司，型號Climacell 404；電子式木材萬能力學試驗機，濟南試金集團有限公司，型號WDW-100E；電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司，型號DHG-9075A；電子秤，量程30 kg，精度50 g。

1.3 方法

1.3.1 輥壓預處理工藝及木材高頻真空干燥基準

輥壓預處理工藝包括壓縮率、壓縮次數和壓縮方向3個參數。壓縮率設定為10%、20%和30%[14]；每一種壓縮率下的壓縮次數分別為1、4和9次，多于1次的壓縮，上一次輥壓完成后立即進行下一次；壓縮方向依據木材生長輪和施力方向的位置關系分為徑向和弦向，對徑切板施行弦向壓縮，對弦切板施行徑向壓縮。

本研究共采用18種輥壓預處理工藝，每一種工藝準備8塊試材，將對照樣(未經過輥壓預處理的試材)計算在內，則需徑、弦切板試材各80塊；試驗板材輥壓預處理后立即進行高頻真空干燥和測試，試材的初含水率47%～55%。

堆垛方式：試材長度方向與干燥機內腔長度方向平行；每一層20塊試材，其中長度方向4塊試材，寬度方向5塊試材，共8層；正極板位于第4層和第5層之間，兩塊負極板分別置于材堆的頂部和底部。

本研究執(zhí)行的木材干燥基準：真空度-0.05 MPa，高頻機頻率12 MHz。

將含水率測定及顯示裝置與對照樣試材相連，當高頻真空干燥運行120 h、對照樣含水率降至15%時，干燥結束。

1.3.2 干燥速率的計算方法

干燥速率表示木材干燥過程中單位時間內降低的含水率值。分別測量每一塊試材干燥開始、結束和全干時的質量(常溫)，計算出試材的干燥初期含水率和終期含水率，二者的差值除以干燥時間，即是每一塊試材在高頻真空干燥過程的干燥速率。取相同輥壓預處理工藝所有試材干燥速率的平均值，作為每一種輥壓預處理工藝柞木試材的干燥速率。

1.3.3 輥壓預處理木材物理力學性質的測試

將經過高頻真空干燥后的輥壓預處理材和對照樣按照國家有關木材物理力學性質測試要求制作試樣，經過含水率平衡處理后，進行測試和分析。對于抗彎強度、抗彎彈性模量和抗劈力3個力學指標，測試的是輥壓壓縮方向的強度，順紋抗剪強度試件的破壞面與壓縮方向垂直。

2 結果與分析

2.1 輥壓預處理對干燥速率的影響

將輥壓預處理試材和對照樣高頻真空干燥的干燥速率差值占對照樣的百分比定義為干燥速率的變化率，用以表征不同的輥壓預處理工藝干燥速率變化的程度。18種輥壓預處理試材和對照樣的干燥速率及干燥速率的變化率見表1。

表1 輥壓預處理試材高頻真空干燥的干燥速率和變化率

柞木徑切板和弦切板試材經過輥壓預處理后，在高頻真空干燥時的干燥速率均大于未處理材(對照樣)。在相同壓縮方向和壓縮率下，干燥速率隨壓縮次數的增加而增大，在弦向壓縮和壓縮率20%條件下，壓縮1、4和9次的干燥速率分別為0.003 587、0.003 801、0.003 843 h-1，與對照樣相比，干燥速率分別提高了15.08%、21.94%和23.29%。同時，干燥速率的增大隨著壓縮次數的增加而逐漸收窄，在徑向壓縮和10%壓縮率時，壓縮4次的干燥速率與1次相比，提高了6.73%；而壓縮9次的干燥速率與4次相比，僅提高了3.67%。

當壓縮方向和壓縮次數相同時，干燥速率隨壓縮率的增加而增大；在徑向壓縮和壓縮4次條件下，壓縮率10%、20%和30%對應的干燥速率分別為0.003 369、0.003 509、0.003 798 h-1，與對照樣相比，干燥速率分別提高了14.51%、19.27%和29.10%。當壓縮率和壓縮次數相同時，弦向壓縮(徑切板)試材的干燥速率大于徑向壓縮(弦切板)，如當壓縮率30%和壓縮4次時，弦向壓縮的干燥速率為0.003 922 h-1，而徑向壓縮為0.003 798 h-1；對照樣也表現出相同的特征，弦切板對照樣的干燥速率為0.002 942 h-1，而徑切板為0.003 117 h-1。

柞木的木射線非常豐富發(fā)達，是導管分子以外，水分移動的重要路徑；對于弦切板和徑切板，木射線分別垂直和平行于木板的寬面，水分由木板的中心位置沿著木射線到達板面，在徑切板內要運行更遠的距離。所以，在常規(guī)蒸汽干燥中，弦切板的干燥速率大于徑切板[1]。在高頻干燥中，木板內的水分在電場的作用下，都是向板材的寬面移動，當木板被加熱后，徑切板內水分除了因高頻干燥效應形成的向寬面移動以外，還可以沿著木射線的方向向窄邊移動，所以，高頻干燥中，柞木徑切板的干燥速率大于弦切板。

2.2 輥壓預處理對密度和干縮率的影響

對輥壓預處理的柞木試材和對照樣進行了3種密度的測量、計算和分析，將處理試材的密度與對應的對照樣密度的差值占對照樣密度的百分比，定義為密度的變化率，用于表征輥壓預處理對密度變化的影響。各種工藝輥壓預處理柞木試材的全干、氣干和基本密度值及變化率見表2?？梢?，柞木試材經過輥壓預處理后，全干、氣干和基本3種密度值均大于相應對照樣密度；在壓縮方向和壓縮率相同時，密度的變化率隨壓縮次數的增加有增大的趨勢；在壓縮方向和壓縮次數相同時，密度的變化率隨壓縮率的增加有增大的趨勢；密度的變化率在0.88%～6.58%，變異量不大。

3種密度中，氣干密度的變化最大，而基本密度變化最小。同時，密度變異與壓縮方向相關，弦向壓縮(徑切板)的密度變化略大于徑向壓縮(弦切板)。

與對照樣相比，輥壓預處理試材弦向、徑向和體積干縮率的變化值占對照樣的百分比，定義為干縮率的變化率，用于表示干縮率發(fā)生變化的水平。各種工藝輥壓預處理柞木試材的弦向、徑向和體積的全干干縮率和氣干干縮率及干縮率的變化率見表3?？梢?，柞木試材經過輥壓預處理后，弦向、徑向和體積的全干干縮率和氣干干縮率均大于對照樣；全干干縮弦向、徑向和體積干縮率的變化率范圍分別為1.61%～9.63%、1.04%～10.42%和4.12%～13.13%，氣干干縮對應的干縮率的變化率范圍分別是1.67%～11.17%、1.64%～9.15%和1.61%～10.71%。當壓縮方向和壓縮率相同時，3種干縮率隨著壓縮次數的增加而有增大的趨勢；當壓縮方向和壓縮次數相同時，干縮率隨著壓縮率的增加而有增大的趨勢。這一表現，與密度的變異規(guī)律是一致的。

表3 輥壓預處理柞木試材的干縮率及變化率

干縮率的變化率因壓縮方向而異，壓縮方向的干縮率變化大于非壓縮方向，如弦向壓縮(徑切板)試材弦向干縮率的變化率大于徑向，而徑向壓縮(弦切板)試材徑向干縮率的變化率大于弦向；同時，弦向壓縮的體積干縮率的變化率大于徑向壓縮。

2.3 輥壓預處理對力學性質的影響

輥壓處理材力學強度與對照樣的差值占對照樣的百分率，定義為力學強度變化的變化率，用以分析輥壓預處理對柞木木材力學性質的影響。表4中列出了木材5種主要力學性質輥壓處理后的數值及變化率。

表4 輥壓預處理柞木試材的力學強度和變化率

柞木徑切板和弦切板試材經過輥壓處理后，主要力學性能均發(fā)生了變化，低壓縮率和較少壓縮次數時，試材的力學強度略有增加；但隨著壓縮率和壓縮次數的增加，5種力學強度值均有所下降。壓縮方向和壓縮率相同時，力學強度隨著壓縮次數的增加而逐漸減小。如對于順紋抗壓強度，徑向壓縮和20%壓縮率時，壓縮1、4和9次對應的變化率分別為-4.29%、-8.61和-10.59%；壓縮方向和壓縮次數相同時，力學強度值隨著壓縮率的增大而逐漸減少。如對于抗劈力，弦向壓縮和壓縮4次時，壓縮率10%、20%和30%對應的變化率分別是4.11%、-7.08%和-9.92%。不考慮壓縮方向，順紋抗壓強度的變化率為-13.01%～6.56%，順紋抗剪強度的變化率為-14.17%～4.67%，抗劈力的變化率為-15.54%～4.11%，抗彎強度的變化率為-12.29%～6.42%，抗彎彈性模量的變化率為-20.17%～4.59%；相同輥壓預處理工藝條件下，抗彎彈性模量的力學損失最大。

另外，力學強度的變化因壓縮方向而異，徑向壓縮(弦切板)引起的力學損失大于弦向壓縮(徑切板)。柞木中的木射線豐富發(fā)達，是木材構造中力學強度最薄弱的區(qū)域。在輥壓壓縮時，對于弦切板，外力方向平行于木射線細胞的縱向；而對于徑切板，外力方向垂直于木射線細胞的縱向。在本試驗的含水率狀態(tài)下(47%～55%)，當施力方向平行于木射線細胞的縱向時，可將細胞壓潰，而垂直于縱向時，僅能將細胞橫向壓扁，木材是黏彈性材料，橫向壓扁的細胞可部分或全部回復，而壓潰細胞的回復是困難的。研究中已觀察到這一現象，在壓縮率30%和9次壓縮的情況下，個別弦切板試材的端面出現細小的宏觀裂隙，而裂隙正是沿著木射線的走向發(fā)生的。

3 結論

柞木徑切板和弦切板試材經過輥壓預處理后，高頻真空干燥時的干燥速率均大于未處理材；壓縮方向和壓縮率相同時，干燥速率隨壓縮次數的增加而增大，并逐漸收窄；壓縮方向和壓縮次數相同時，干燥速率隨壓縮率的增加而增大，干燥速率的變化率在7.78%～29.88%。柞木板材經過輥壓預處理后，高頻真空干燥的干燥時間可縮短7.22%～21.97%。

輥壓預處理柞木試材的密度和干縮率均大于對照樣，密度和干縮率的變化率分別為0.88%～6.58%和1.04%～13.13%。在壓縮方向和壓縮率相同時，密度和干縮率的變化率隨壓縮次數的增加而有增大的趨勢；在壓縮方向和壓縮次數相同時，二者的變化率隨壓縮率的增加而有增大的趨勢。

隨著壓縮率和壓縮次數的增加，木材的力學強度下降；壓縮方向和壓縮率相同時，力學強度隨著壓縮次數的增加而逐漸減??；壓縮方向和壓縮次數相同時，力學強度隨著壓縮率的增大而逐漸減少。5種力學強度的變化率為：順紋抗壓強度-13.01%～6.56%，順紋抗剪強度-14.17%～4.67%，抗劈力-15.54%～4.11%，抗彎強度-12.29%～6.42%，抗彎彈性模量-20.17%～4.59%。

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Effect of Pretreatment Conditions on Drying Rate of Lumber Compressed by Rollers and Wood Properties//

Yang Shengli, Wen Mingyu, Yang Geng, Sun Yaoxing, Zhao Xue

(Beihua University, Jilin 132013, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(12)：69-73.

We compressed the lumber of oak (Quercusmongolica) by rollers in both radial and tangential directions under the compression rate of 10%, 20% and 30% and at compression times of 1, 4 and 9. We studied the variation characteristics of drying rate through high frequency-vacuum drying and the properties of the treated samples. The drying rate of treated ones increased with the rise of compression rate and its times, the variation coefficient of drying rate was in 7.78%-29.88%, and the rate of shortened drying hours was in 7.22%-21.97%. The density of treated samples and the shrinkage rate were increased gently with the rise of compression rate and its times, the variation coefficients were in 0.88%-6.58% and 1.04%-13.13%, respectively. The mechanical of wood decreased gently with the rise of compression rate and its times, the variation coefficient of shortened strength with the compressive strength parallel to the grain was in -13.01%-6.56%, with the shearing strength parallel to the grain was in -14.17%-4.67%, with the cleavage strength of wood was in -15.54%-4.11%, with the bending strength of wood was in -12.29%-6.42%, and with the modulus of elasticity in static bending of wood was in -20.17%-4.59%.

Pre-compressed by rollers; High frequency-vacuum drying; Drying rate; Physical and mechanical properties of wood

1)國家自然科學基金項目(31470022)，吉林省科技發(fā)展計劃項目(20120260)，吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(2012-160)，吉林省省級經濟結構戰(zhàn)略調整引導資金專項(2015Y079)。

楊勝麗，女，1969年12月生，北華大學林學院，助理實驗師。E-mail：1289710973@qq.com。

孫耀星，北華大學林學院，教授。E-mail：sunyaoxing@sina.com。

2015年5月13日。

S781.3

責任編輯：戴芳天。